СВІТЛОДІОДИ: БОРОТЬБА З МЕРЕХТІННЯМ

213
Фахівці з освітлення
Використання світлодіодів в освітленні призвало виробників і дизайнерів до креслярської дошки, щоб обговорити стару проблему.
Від головного болю до недодержаних фотознімків — наслідки мерехтіння можуть проявлятися у багатьох відношеннях. Хоча індустрія освітлення легко прийняла світлодіодне освітлення в якості енергоефективного, воно, як правило, не справлялося з розумінням причин і наслідків періодичної модуляції в світлодіодах. Якщо його не зупинити, мерехтіння може привести до безлічі проблем, які можуть зіпсувати добре спроектований світильник чи простір. Розуміння основ цієї проблеми допоможе архітекторам і фахівцям з освітлення уникнути неприємних і навіть згубних наслідків мерегтіння світла.
Що таке мерехтіння?
У своєму найпростішому визначенні мерехтіння — це постійна флуктуація світлового потоку від включення до виключення. Оскільки електрика подається змінним струмом (AC) з частотою 50 герц, напруга, описує синусоїду між позитивним і негативним полюсами. В результаті потенційна частота мерехтіння вдвічі перевищує частоту лінії електропередачі або 100 Гц. Без правильної електронної схеми реалізованої в баласті, драйвері джерело світла мерехтить.

Мерехтіння може бути навмисним, як у випадку осцилюючих фар велосипеда. «Є пороги мерехтіння, які ніхто не помічає, а є, дійсно проблемні», — говорить Наомі Міллер, дизайнер з освітлення та старший науковий співробітник команди Advanced Lighting з Портленда, штат Орегон з Тихоокеанської північно-західної національної лабораторії (PNNL). За її словами, індустрія освітлення виявляє і вивчає певні діапазони (частоти), які можуть викликати неврологічні проблеми у окремих осіб або можуть вплинути на роботу.

Стробоскопічний ефект може привести до того, що рухомі об’єкти будуть нерухомими або повільними.

Люди можуть сприймати коливання світла на частотах менше 50 герц, хоча деякі люди помічають його до 100 герц, каже Надараджа Нарендран, директор з досліджень в Дослідницькому центрі освітлення (LRC) в Троє, Нью-Йорк. Повільні частоти, приблизно від 3 до 70 герц, можуть викликати судоми у високочутливих індивідуумів, в той час як помірні частоти мерехтіння, приблизно від 100 герц до 500 герц, можуть привести до непрямого сприйняття стробоскопических ефектів, в яких об’єкти в русі можуть з’являтися у вигляді серії нерухомих зображень. Але що використовується на дискотеці, може бути небезпечним в промислових умовах. Наприклад, мерехтіння може змусити рух шестерні або леза виглядати більш повільно або навіть нерухомими, і це пов’язано з несприятливими наслідками для здоров’я, такими як головні болі, напруга очей і втома.

У міру того, як частота мерехтіння збільшується в кілогерцевому діапазоні, близько 2 кілогерц і вище, попередні дослідження показують, що «ми більше не можемо її виявити», — говорить Джим Беньяна, директор консалтингової компанії Benya Burnett в Девісі, Каліфорнія. «Це вже не проблема». Однак досягнення високих частот з різними джерелами може бути проблемою.

Вимірювання коливань

В даний час вимырювання мерехтіння для виробників джерел світла не обов’язково і нестандартизовано, але Товариство освітлення (IES) розробило два показники для кількісної оцінки мерехтіння, які описані в RP-16-10 США, «Номенклатура і Визначення для ілюмінації в інженерії». Перший і найбільш часто використовуваний показник — це відсоток мерехтіння. Він визначає середню кількість модуляції або зменшення в світловому потоці за один цикл включення-виключення. Джерело з 100-відсотковим мерехтінням вказує, що в якийсь момент свого циклу він не виробляє світла, в той час як повністю стійкий потік світла матиме нульовий відсоток мерехтіння.

Іншим показником є індекс мерехтіння, який коливається від нуля до одиниці. Він враховує відсоток мерехтіння і дві інші змінні: форму сигналу або вихідну криву і робочий цикл, який відноситься до відсотку часу, протягом якого джерело світла включається в один цикл включення-виключення. Чим нижче відсоток мерехтіння і індекс мерехтіння, тим менше джерело мерехтить або виробляє помітні стробоскопические ефекти.

Мерехтіння в звичайних джерелах

Всі джерела живлення змінного струму мерехтять. У лампах з високою інтенсивністю розряду (HID), говорить Беньяна, мерехтіння стало на очевидним на Олімпійських іграх 1972 року, коли фотографи виявили, що багато їх фотографій були чорними, тому що вони намагалися зробити дуже коротку експозиційну картину в самий невідповідний час , і вогні були ефективно відключені». Трифазна система розподілу світла, в якій суміжні джерела пульсують на 120 градусів по фазі, так що одна лампа включається, а інша вимикається, а третя — десь між ними, вирішила проблему мерехтіння в освітленні стадіону.

Навіть стандартна лампа розжарювання мерехтить. Однак ми цього не помічаємо, тому що нагріта нитка розжарювання, це та ж сама характеристика, яка робить енергію ламп розжарювання неефективною — близько 90 відсотків споживаної електроенергії втрачається, маскує ефекти мерехтіння. Після виключення потужності залишкова теплота в нитці утримує своє світіння до тих пір, поки не буде доставлений наступний імпульс потужності.

Однак це не відноситься до люмінесцентних ламп і светодіодів. «Ці джерела світла можуть мерегтіти по своїй природі», — каже Беньяна. У 1990-ті роки ця проблема стала критичною і споживачів категорично не влаштовувало мерехтіння люмінесцентних ламп з магнітними баластами. Виробники вирішили проблему, перейшовши на електронні баласти, які управляли лампами вище 20 кілогерц, це та частота, при якій люди вже помічають мерехтіння.

Чому світлодіоди мерехтять?

Коли на ринок виходить нове джерело, з’являється проблема бульбашок мерехтіння на поверхні. Проте, світлодіоди можуть осциллировать в світловіддачі навіть більше, ніж лампи розжарювання або люмінесцентні лампи, — говорить Miller. На відміну від HID або флуоресцентного, твердотельное освітлення — це пристрій постійного струму (DC), що означає, що до тих пір, поки подається постійний струм, світлодіод буде горіти без мерехтіння, каже Беньяна.

В простій світлодіодній схемі, в якій не застосовується регулювання постійного струму по відношенню до керуючого, яскравість світлодіода буде змінюватися по фазі з циклом змінного струму. Коли драйвер існує, він являє собою джерело і рішення. Усунення перетворення змінного струму в постійний струм викликає пульсацію напруги і струму, що виводяться драйвером на світлодіод. Ця пульсація зазвичай виникає при подвоєнні частоти вхідної лінійної напруги — 100 герц. Світлодіодний потік потім корелює з вихідною формою сигналу драйвера.

Діммірування є другою основною причиною мерехтіння. Звичайні диммери, такі як TRIAC (електронний компонент, який може проводити струм в обидва напрямки) диммери, модулюють струм, збільшуючи час вимикання в циклі включення-виключення, зменшуючи світловіддачу. Широкосмугова широтно-імпульсна модуляція ШИМ (PWM) зменшує випромінювання світлодіодів шляхом включення і виключення їх на частотах, які перевершують 200 герц. Однак, каже Беньяна, «якщо ви робите PWM на досить низькій частоті, наприклад, в нашій нормальній частоті лінії електроживлення, то ми можемо побачити дуже високий відсоток мерехтіння».

Мінімізація мерехтіння

Таким чином, ключ до пом’якшення мерехтіння лежить в драйвері, який може усунути проблему, поставивши світлодіод на постійний струм. Але виробники повинні зважити кілька чинників — вартість, розмір, надійність і ефективність — при виборі того, який драйвер буде вбудований в продукцію, говорить Марк МакКілер, віце-президент по розробці додатків в CRI.

«Виробники завжди намагаються оптимізувати це, і зробити прийнятним з точки зору мерехтіння так, щоб це не вплинуло на вартість», — каже МакКлеар. Конденсатор може допомогти модулювати пульсацію змінного струму від драйвера до світлодіода, але у них теж є недоліки, каже Беньяна. «Вони великі … і вони ненавидять тепло». Таким чином, в просторі, в якому досить висока температура, наприклад, у багатьох лампах заміни СІД, конденсатор не працює.

Для світлодіодів з використанням PWM, виробники можуть модулювати струм до дуже високої частоти, що перевищує кілька тисяч герц. Це схоже на те, що електронні баласти роблять для люмінесцентних ламп. Проте, чим вище бажана частота, тим ближче фізичний драйвер і світлодіод. «На жаль, багато людей хочуть, щоб керуючий блок був трохи віддалений від своєї системи освітлення, так що це не завжди можливо», — каже Беньяна.

 

З метою спрощення тестування сумісності між диммерами і дімміруємими світлодіодними доайверами (LLE) Національна асоціація виробників електроустаткування (NEMA) випустила стандарт NEMA SSL 7A-2013, Phase Cut Dimming для світлотдіодного освітлення: «Базова сумісність, керівництво для дизайнерів освітлювальних приладів і виробників». Таким чином, диммери і LLE, що відповідають стандарту, будуть сумісні один з одним.

Стандарт є першим для галузі, каже Меган Хейс, технічний менеджер програм NEMA. Підписаний з 24 найбільшими виробниками, SSL 7A прагне «позбутися тестування пари для ламп і диммерів», — говорить вона. Нажаль проблема полягає в тому, що стандарт застосовується тільки до перспективних технологій і не дає можливості «визначити сумісність з існуючими продуктами або встановленої базою LLE і фазовими диммерами».

Установка меж

З 30 вересня по програмі Energy Star Агентства з охорони навколишнього середовища США виробники зобов’язані повідомляти показники мерехтіння всіх дімміруємих ламп. Але рекомендації про те, які діапазони значень вважаються прийнятними, до сих пір не розроблені.

Дослідницький центр з освіітлення, який в 2002 році заснував Союз твердотільних систем і технологій (ASSIST) – куди увійшли урядові організації, дослідники і виробники зробив перший крок до визначення прийнятних параметрів коливань в 2012 році, коли випустив ASSIST Recommended. Параметри мерехтіння для зменшення стробоскопических ефектів від напівпровідникових систем освітлення, в які входять рівняння для виявлення і прийнятності стробоскопических ефектів в джерелі світла.

Зовсім недавно ASSIST спонсорувала дослідження по непрямому сприйнятті мерехтіння і впливу на людей, проведене старшим науковим співробітником LRC Джоном Буллоу. Визначивши, що частота і величина модуляції є двома основними показниками роздратування людей пов’язаним з мерехтінням, Буллоу намагається визначити «в яких точках ефекти стають помітними і неприйнятними для того, щоб хтось постійно працював під цим типом освітлення. «Наприклад, — говорить він, — не дивлячись на те, що екрани комп’ютерів мерехтять приблизно від 60 до 70 герц, мерехтіння в значній мірі проходить непоміченим».

Дослідження показують, що змінні світлодіодні лампи, такі як MR16, лампи з колбами А, В, Р і лампи PAR, швидше за схильні до мерехтіння, ніж, скажімо, high-bay. Змінні лампи мають обмеження по простору, тому в них використовуються проості драйвери, які не мають необхідної електроніки і складних схем для отримання якісного світла.

При використанні недімміруємих світлодіодних джерел світла мерехтіння може не відчуватися, якщо встановлений високоякісний драйвер. Але якщо замінити лампу в схемі зі звичайним диммером TRIAC замість того, щоб встановити в виділений світлодіодний світильник з керування 1-10В постійного струму або DALI (DMX), «ви отримаєте мерехтіння навіть із самих високоякісних продуктів», — каже Беньяна. «Підказка номер один: якщо ви хочете купити дешеву лампу, вона, найімовірніше, буде мерехтіти».

Дизайнери і монтажники повинні працювати з виробниками освітлення, щоб визначити сумісну систему диммер – драйвер – джерело світла. Є один простий тест, за словами Міллера, він полягає в тому, щоб освітити обертається верх край предмета що обертається і шукати стробоскопічні  ефекти. Інший спосіб — швидко намалювати лінію олівцем під джерелом світла, щоб створити ілюзію вентилятора. Під миготливим джерелом світла в «вентиляторі» будуть видні проміжки або темні лінії; якщо немає мерехтіння, вентилятор буде здаватися гладким, безперервним і без зазорів.

Це може звучати як темні дні для люмінесцентних ламп і магнітних баластів, але твердотільне освітлення, яке не містить помітних стробоскопічних ефектів, існує. Дизайнери і спеціалісти повинні бути обережні і проводити свої дослідження. «Це не схоже на те, що все похмуро», — каже Нарандран. «Ви повинні інвестувати час, щоб переконатися, що це сумісні системи, які ви використовуєте».

В ідеалі, Bullough хоче створити документ, в якому будуть перераховані показники мерехтіння джерела, і відсоток жителів, які, ймовірно, помітять мерехтіння.

спеціальні поради

Фахівці з висвітлення можуть зробити деякі кроки, щоб зменшити свої шанси на те, щоб визначити твердотільні продукти освітлення, які мерехтять. Міллер каже, що для інтер’єрів потрібно бути обережними з продуктами, що рекламуються як AC-LED. Більш проста схема, відсутність управління і, отже, низька ціна можуть здатися привабливими, але деякі світлодіоди AC виробляють до 40 відсотків мерехтіння при повній потужності. При знижених рівнях відсоток мерехтіння може бути ще вище.

Фахівці з освітлення повинні розуміти і розділяти світлодіоди по параметрам мерехтіння. Міллер каже, що для інтер’єрів потрібно бути обережними з продуктами, що рекламуються як AC-LED. Більш проста схема, відсутність управління і, отже, низька ціна можуть здатися привабливими, але деякі світлодіоди AC виробляють до 40 відсотків мерехтіння при повній потужності. При знижених рівнях відсоток мерехтіння може бути ще вище.

lightcraft.com.ua